CZ28284U1 - Objektiv - Google Patents

Description

Objektiv

Oblast techniky

Technické řešení se týká objektivu, zejména čtyřčlenného pěti čočkového širokopásmového snímacího refraktivní apochromatického objektivu pro viditelnou a IR oblast.

Dosavadní stav techniky

Teorie, technika a metody korekce optických soustav jsou detailně analyzovány a popsány v řadě publikací, například Conrady (1991), Kingslake (1978), Havelka (1955). Optické soustavy navržené těmito technikami dosahují velmi dobrý korekční stav ve spektrálním pásmu, které překlenuje jednu oktávu spektrálního pásma, kdy poměr nejdelší a nejkratší vlnové délky zobrazovaného spektrálního pásma je přibližně 2.

Achromatická a apochromatické korekce ve viditelné oblasti v oblasti refraktivní ch objektivů využívá metody korekce opírající se o disperzní vlastnosti optických materiálů prezentovaných zejména Abbeovým číslem:

kde n_d, n_F, n_c jsou indexy lomu optických materiálů pro Fraunhoferovy spektrální čáry d, F, C;

částečnými disperzemi, n_F — n^.kde A; je další zvolená důležitá vlnová délka světla pro zobrazení; částečnými relativními disperzemi:

_n _ n_F-n_d ťp d —-♦ n_F~n_c

Rozdílné disperzní vlastnosti optických skel ve viditelné části spektra vyjadřují diagramy v_d — n_d a v_d — P_Fci, které jsou uvedeny na obr. 1 a obr. 2 a odpovídají 106 optickým sklům společnosti Schott.

S využitím technik popsaných ve výše uvedené literatuře byla v minulosti pro vizuální oblast vyvinuta a patentována řada optických soustav, které jsou například popsané v patentech US 2600208 a US 3024697. V spektrálních pásmech, která překračují jednu oktávu, jsou ovšem tyto soustavy, vzhledem k barevným aberacím, nepoužitelné.

Nové typy a technologie obrazových detektorů umožňují záznam obrazu v širších spektrálních pásech, případně umožňují získat obraz kombinací (fúzí) obrazů z detektorů s rozdílnou spektrální citlivostí. Optické soustavy pro širokopásmové zobrazení využívají speciálních krystalických optických materiálů jako je CaF2, MgO, které jsou například známé z patentů US 4712886, US 6208459 a US 8289633, případně jsou omezeny jen na velmi úzké zorné pole či spektrum, což je známé například z patentu EP 0935772.

Cílem technického řešení je vytvoření širokopásmového apochromatického objektiv pro viditelnou (dále VIS) a infračervenou oblast spektra (dále IR), který bude umožňovat co nej širší zobrazení v spektrálním pásmu v oblasti VIS + rozšířené krátkovlnné infračervené části spektra (dále eSWIR).

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje a cíle technického řešení naplňuje objektiv, zejména čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast, kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami umístěn jeden dublet složený z kladného spojného čočkového členu a rozptylného čočkového Členu, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

- 1 CZ 28284 Ul

Je výhodné, když všechny vnitřní čočkové členy objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n_d větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.

Dále je výhodné, když jsou dva rozptylné čočkové členy zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[P_krstr]₃ a [R_kr,str]4 leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen dubletu je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [P_krstr]2 platí |[Pfc_r,str]2- Pkr,strhl ^< 0,005.

Výhodné také je, když pro podíl poloměrů optických ploch η₀ a r₉ krajní spojné čočky platí: < 0,8.

^r9

Současně je výhodné, když ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 mm až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zomé pole je 15° až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR A_min= 0,9 až λ_ηαχ- 2,3 pm, nebo současně ve viditelném pásmu VIS i eSWIR pásmu A_min= 0,47 až 2_maA;= 2,3 pm.

Současně je dále výhodné, když pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu, r₆ spojného rozptylného čočkového členu, r₈ rozptylný čočkový člen a r₉ krajní spojné čočky platí: — < 0,35 a současně — < 1.

^r9 ^r3

Výhodou čtyřčlenného pěti čočkového objektivu podle technického řešení je to, že umožňuje zobrazit objekty v širokém spektrálním pásmu VIS+eSWIR, kdy podíl y²²² leží v rozmezí 2,5 až Amin

5, přičemž v případě širokopásmového zobrazení, kdy je podíl nejdelší a nejkratší vlnové délky záření větší než 4, kde zobrazení probíhá v oblasti větší přesahující dvě oktávy, je vhodné Abbeovo číslo a relativní částečnou disperzi zobecnit:

^vstr ⁿstr 1 ⁿkr~ⁿdl ⁿkr W-str, kr,str ~ ⁿkr~ⁿstr nkr-nai ’ kde n_str, n_kr, n_dřjsou indexy lomu pro střední, nejkratší a nejdelší vlnovou délku spektrálního pásma.

Vzhled diagramů pro spektrální rozsah VIS+eSWIR (0,47 pm až 2,3 pm) je oproti oblasti VIS výrazně změněn. Pro případ 106 optických skel společnosti Schott jsou odpovídající diagramy uvedeny na obr. 3 a obr. 4.

Triviální podmínku apochromatičnosti pro achromatizovanou soustavu lze u soustavy složené z čoček vyjádřit: [P_kr,sfr]i — [^kr.strL· = = [úcr.str])· Jak plyne z diagramu na obr. 4 je počet skel zajišťující co nejpřesnější splnění výše uvedené podmínky a současně vykazující další vlastnosti potřebné ke korekci dalších aberací, vysokou propustnost v celém rozsahu spektra a vhodné tepelné roztažnosti pro tmelené členy, je velmi omezený.

Výsledkem je jednoduchá pěti čočková konstrukce z optických skel umožňující při clonovém čísle kolem 3,5 a zorném poli 20° dosáhnout kvalitní zobrazení pro rozsah větší než dvě oktávy spektra.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje diagram v_d — n_d rozdílných disperzních vlastností optických skel ve viditelné části spektra pro pásmo VIS, obr. 2 znázorňuje diagram v_d — P_{F d} rozdílných disperzních vlastností optických skel ve viditelné části spektra pro pásmo VIS, obr. 3 a obr. 4 znázorňují diagram pro spektrální rozsah VIS+eSWIR (0,47 pm až 2,3 pm), obr. 5 zobrazuje soustavu grafů znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 1, obr. 6 zobrazuje soustavu grafů znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 2, obr. 7 zobrazuje soustavu grafů znázorňujících kvalitativní parametry zobrazení objektivu podle příkladu provedení 3, obr. 8 znázorňuje základní optické schéma objektivu, obr. 9 zobrazuje tabulku kon-2CZ 28284 Ul strukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 1, obr. 10 zobrazuje tabulku konstrukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 2, a obr. 11 zobrazuje tabulku konstrukčních parametrů objektivu podle příkladu provedení 3.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 5, obr. 8, obr. 9), kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1, 5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů 3, 4 v rozmezí 0,97 až

1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu 4 je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu 1¾ větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3, 4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[P_fersfr]₃ a [Postrk leží ^v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi[P_krstr]₂ platí |[Pkr,_str]2* [Pfcrstrúl < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch η₀ a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,8.

^r9

Ohnisková vzdálenost objektivu je 47 mm, jeho clonové číslo je 3,5, jeho zorné pole je 20°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRA_mi_n= 0,9 až k_max= 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu A_m/_n= 0,47 až 2_max~ 2,3 pm.

Pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu 2, r₆ spojného rozptylného čočkového členu 3, r₈ rozptylný čočkový člen 4 a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,35 a současně — < 1.

^r9 ^r3

Kvalita zobrazení toho objektivuje znázorněna na obr. 5. V levé části obrázku jsou zde uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole a to pro různé možné kombinace použití objektivu:

. jen pro vizuální oblast (0,47 pm až 0,7 pm), . pro užší oblast krátkovlnné infračervené části spektra (dále SWIR) (0,9 pm až 1,7 pm), _ pro rozšířenou oblast eSWIR (0,9 pm až 2,3 pm), . a pro celou uvažovanou oblast (0,47 pm až 2,3 pm).

Na pravé straně obrázku nahoře jsou nejprve uvedeny průběhy barevné vady polohy pro paraxiální a zonální oblast a pak pod sebou jsou postupně uvedeny grafy příčných aberací pro střed, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole pro 20 vlnových délek pravidelně pokrývající celou část spektra.

Příklad 2

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 6, obr. 8, obr. 10), kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1, 5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů 3, 4 v rozmezí 0,97 až

1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu 4 je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem

-3 CZ 28284 Ul lomu nj větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3,4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[/’_ferstr]₃ a [Rfc_r,_st_r]4 leží ^v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi[P_{kr sfr}]₂ platí |[Pfcr,střiž* [ú<r,str]3I < 0,005.

Pro podíl poloměrů optických ploch r₁₀ a r₉ krajní spojné čočky 5 platí: — < 0,8.

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 mm až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné poleje 15° až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIRyl_mřzi= 0,9 až Á_max- 2,3 μιη, nebo současně ve viditelném VIS a eSWIR pásmu Á_mi_n= 0,48 až A_max= 2,3 μιη.

Kvalita zobrazení toho objektivu je znázorněna na obr. 6. V levé části obrázku jsou uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole a to pro různé možné kombinace použití objektivu:

. jen pro vizuální oblast (0,47 pm až 0,7 pm), . pro užší oblast SWIR (0,9 pm až 1,7 pm), . pro rozšířenou oblast eSWIR (0,9 pm až 2,3 pm), . a pro celou uvažovanou oblast (0,47 pm až 2,3 pm).

Na pravé straně obrázku nahoře jsou nejprve uvedeny průběhy barevné vady polohy pro paraxiální a zonální oblast a pak pod sebou jsou postupně uvedeny grafy příčných aberací pro střed, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole pro 20 vlnových délek pravidelně pokrývající celou část spektra.

Příklad 3

Čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast (obr. 7, obr. 8, obr. 11), kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami 1, 5 umístěn jeden dublet 6 složený z kladného spojného čočkového členu 2 a rozptylného čočkového členu 3, a jeden samostatný rozptylný čočkový člen 4.

Poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů 3, 4 v rozmezí 0,97 až

1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu 4 je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.

Všechny vnitřní čočkové členy 2, 3, 4 objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu iu větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.

Dva rozptylné čočkové členy 3,4 jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[P_{fer sřr}]₃ a [Efcr.strK leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen 2 dubletu 6 je z optického skla, pro jehož relativní disperzi[P_fersřr]₂ platí [Efcr.strL·- [úcr.strL·! < 0,005.

Ohnisková vzdálenost objektivu leží v rozmezí 40 mm až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné poleje 15° až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR2_znj_n= 0,9 až ^max~ 2,3 pm.

Kvalita zobrazení toho objektivu je znázorněna na obr. 7. V levé části obrázku jsou uvedeny grafy přenosu kontrastu pro 25 č/mm v závislosti na ostření pro střed zorného pole, 0,7 zorného pole a kraj zorného pole a to pro různé možné kombinace použití objektivu:

. pro užší oblast SWIR (0,9 pm až 1,7 pm), . pro dlouhovlnnou část eSWIR (1,9 pm až 2,3 pm), . a pro celou eSWIR oblast (0,9 pm až 2,3 pm).

Na pravé straně obrázku jsou uvedeny grafy příčných aberací pro střed, 0,7 zorného pole a kraj

-4CZ 28284 U1 zorného pole pro 15 vlnových délek pravidelně pokrývající celou část spektra.

Průmyslová využitelnost

Objektiv podle technického řešení lze využít k zobrazování objektů v širokém spektrálním pásmu eSWIR nebo i na celou oblast VIS+eSWTR.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Objektiv, zejména čtyřčlenný pěti čočkový širokopásmový snímací refraktivní apochromatický objektiv pro viditelnou a IR oblast, kde je mezi dvěma samostatnými krajními spojnými čočkami (1, 5) umístěn jeden dublet (6) složený z kladného spojného čočkového členu (2) a rozptylného čočkového členu (3), a jeden samostatný rozptylný čočkový člen (4), vyznačující se tím, že poměr ohniskových vzdáleností f4/f3 obou rozptylných čočkových členů (3, 4) v rozmezí 0,97 až 1,1, a absolutní hodnota lámavosti čtvrtého rozptylného čočkového členu (4) je větší než 2,7 násobek lámavosti celého objektivu.
2. 2. Objektiv, podle nároky 1, vyznačující se tím, že všechny vnitřní čočkové členy (2, 3, 4) objektivu jsou složeny z optických materiálů s indexem lomu n<j větším než 1,6 a menším než 1,7 a Abbeovým číslem v_dvětším než 39,0 a menším než 60.
3. 3. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dva rozptylné čočkové členy (3,4) jsou zhotoveny z optických skel, jejichž relativní disperze[P_{fcr str}]₃ a [í\_rsfr]₄ leží v rozmezí 0,49 až 0,70 a spojný čočkový člen (2) dubletu (6) je z optického skla, pro jehož relativní disperzi [P_krjStr]₂ platí |[Pfc_r,_st_r]2- Ar.strL·! < 0,005.
4. 4. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro podíl poloměrů optických ploch ri₀a r₉ krajní spojné čočky (5) platí: — < 0,8.

   ^r9
5. 5. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jeho ohnisková vzdálenost leží v rozmezí 40 mm až 100 mm, jeho clonové číslo leží v rozmezí 2,8 až 4,0, jeho zorné pole je 15° až 25°, přičemž zobrazuje v pásmu eSWIR2_mín= 0,9 až ž_max= 2,3 pm, nebo současně ve viditelném VIS a eSWER pásmu A_mj_n= 0,47 až 2_max= 2,3 pm.
6. 6. Objektiv, podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pro poloměry optických ploch r₃ čočkového členu (2), r₆ spojného rozptylného čočkového členu (3), r₈ rozptylný čočkový člen (4) a r₉ krajní spojné čočky (5) platí: — < 0,35 a současně — < 1.

   9 výkresů

   Seznam vztahových značek:

   1 krajní spojná čočka I

   2 čočkový člen I

   3 čočkový člen II

   4 čočkový člen III

   5 krajní spojná čočka II

   6 dublet.